Dolgu maddeli polimer malzemelerin Taguchi yöntemi ile performans optimizasyonu

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ * FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DOLGU MADDELİ POLİMER MALZEMELERİN TAGUCHİ

YÖNTEMİ İLE PERFORMANS OPTİMİZASYONU

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Nurdan KOCA

Anabilim Dalı : Makina Mühendisliği

Danışman : Yrd. Doç. Dr. Tülin Şahin

KOCAELi liNiVERSiTESi

*

FEN BiLiMLERi E

N

STiTUSU

DOLGU MADDELi POLiMER MALZEMELERiN TAGUCHi

YONTEMi iLE PERFORMANS OPTiMizASYONU

YUKSEK LisANS TEZi

NURDANKOCA

Tezin Enstitiiye Verildigi Tar

i

h: 22 MA YIS 2009

Tezin Savunu

l

dugu Tarih: 01 TEMMUZ 2009

(

..

Tez DaDl~maDl

Yrd.Do~.Dr. Tiilio ~AHiN

~r;;;;s:~s~r~:>

LTlllT~~-=.G=L.:.U

_ _ _

TEŞEKKÜR

Günlük yaşamda sık kullanılan eşyaların üretiminde plastik malzemeler daha fazla tercih edilmeye başlanmıştır. Geçmişte cam, metal ve çelikten üretilen birçok ürün yerini plastik eşyalara bırakmıştır. Türkiye'de plastik tüketiminin ağırlığını günlük hayatta çok sık karşılaştığımız polietilen (PE), polipropilen (PP), polivinilklorür (PVC), polistiren (PS) gibi plastikler oluşturmaktadır. Plastik malzemeler içerisine katılan dolgu maddelerinin, plastik malzemenin kalitesi üzerine etkisi iyi araştırılmalı ve dolgulu plastik malzemenin kullanım alanları buna göre belirlenmelidir.

Yüksek lisans sürecim boyunca, benden bilgi ve deneyimini, sonsuz desteğini ve sabrını esirgemeyen değerli hocam sayın Yrd. Doç. Dr. Tülin Şahin’e en içten teşekkürlerimi sunarım.

Bu çalışmayı yaparken, hiçbir yardım ve desteği esirgemeyen sevgili eşim Barış Koca’ ya bana karşı göstermiş olduğu sabır ve anlayış için çok teşekkür ederim. Hayatım boyunca verdiğim her kararda arkamda olan ve maddi ve manevi desteklerini hiç bir zaman esirgemeyen sevgili aileme, özellikle annem ve babam, Hatice ve İbrahim Sel’ e teşekkürü bir borç bilirim.

İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ ... i İÇİNDEKİLER ... ii SEKİLLER DİZİNİ... iv TABLOLAR DİZİNİ ... vi SİMGELER ... vii ÖZET ... ix İNGİLİZCE ÖZET ... x 1. GİRİŞ ... 1 2. GENEL BİLGİLER ... 3 2.1. Polimerler ... 3 2.1.1. Polietilen (PE) ... 8 2.1.2. Polipropilen (PP) ... 9 2.1.2.1. Polipropilen çeşitleri ... 10

2.2. Dolgu ve Güçlendirici Maddeleri ... 11

2.2.1. Polipropilen ve mineral dolgular... 13

2.2.2. Kalsiyum karbonat... 16

2.3. Polimerlerin Mekanik Özellikleri ... 17

2.3.1. Polimerlerde karşılaşılan zorlanma ve gerilim ilişkileri ... 19

2.3.2. Sürünme ... 23

2.4. Taguchi Yöntemi ... 27

2.4.1. Kalitenin gelişimi ... 27

2.4.2. Taguchi yöntemi deney tasarımı ... 29

2.4.3. Taguchi felsefesi ... 30

2.4.4. Taguchi üretim, kalite sistemi ve deney tasarımı ... 31

2.4.4.1. Sistem tasarımı ... 33

2.4.4.2. Parametre tasarımı ... 34

2.4.4.3. Tolerans tasarımı ... 35

2.4.4.3.1. En büyük en iyi ... 36

2.4.4.3.2. En küçük en iyi ... 36

2.4.4.3.3. Hedef değer en iyi ... 36

2.4.5. Taguchi metodunda parametre tasarımı ... 36

2.4.6. Taguchi’nin kayıp fonksiyonu ... 37

2.4.7. Taguchi yönteminde dikey diziler ... 40

2.4.7.1. Dikey dizilerin oluşturulması ... 43

2.5. Çalışmanın Amacı ... 46

3. DENEYSEL ÇALIŞMA ... 47

3.1. Birinici Grup Çalışma ... 47

3.1.1. L8 dikey dizisinin oluşturulması ... 47

3.1.2. Malzeme ... 48

3.1.3. Deney numunesi üretimi ... 49

3.2. İkinci Grup Çalışma ... 50

3.2.2. Malzeme ... 51

3.2.3. Deney numunesi üretimi ... 52

3.3. Deney Şartları, Deney Araçları, Deney Makineleri Ve Deney Donanımları. 53 4. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ ... 56

4.1. Birinci Grup Çalışma Deney Sonuçları ... 56

4.2. İkinci Grup Çalışma Deney Sonuçları ... 59

4.3. Polimer Malzemede CaCO3 Takviyesinin Gerilme Gevşemesine Etkisinin ...TaguchiYöntemi İle İncelenmesi ... 64

4.3.1. Birinci grup çalışmada taguchi yöntemi... 64

4.3.1.1. L8 dikey dizisine ait sonuçlar... 64

4.3.1.2. Max. zorlanmanın CaCO3 ve gerilme faktörlerine göre grafikleri ... 65

4.3.1.3. Sürünme değerlerinin CaCO3 ve gerilme faktörlerine göre grafikleri ... 67

4.3.1.4. “Sürünme Başlama Noktası” değerlerinin CaCO3 ve gerilme faktörlerine göre grafikleri ... 69

4.3.2. İkinci grup çalışmada Taguchi Yöntemi ... 71

4.3.2.1. L16 dikey dizisine ait sonuçlar ... 71

4.3.2.2. Max. zorlanmanın CaCO3 gerilme ve tane boyutu faktörlerine göre grafikleri ... 73

4.3.2.3. Sürünmenin CaCO3 gerilme ve tane boyutu faktörlerine göre grafikleri ... 75

4.3.2.4. “Sürünme Başlama Noktası” değerlerinin CaCO3 ve gerilme faktörlerine göre grafikleri ... 77

5. SONUÇLAR ve ÖNERİLER ... 79

KAYNAKLAR ... 81

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 2.1 : Bazı polimerlerin formülleri……… 4

Şekil 2.2 : Etilen monomeri... 8

Şekil 2.3 : Polietilen... 8

Şekil 2.4 : Polipropilen... 9

Şekil 2.5 : Polimerik malzemelerin tipik gerilme-zorlanma eğrisi... 19

Şekil 2.6 : Malzeme türlerine göre gerilme-zorlanma eğrileri... 21

Şekil 2.7 : Plastik numuneye sabit σ0 gerilmesi uygulanmasıyla oluşan birim şekil değiştirme-zaman grafiği... 23

Şekil 2.8 : PVC boru malzemesinin 20 °C`de çekme sürünmesi... 25

Şekil 2.9 : Polietilen boruda kırılmanın iki farklı sıcaklık için gerilme-zaman ilişkisinin şematik gösterimi. (Hoop Gerilme – çevresel gerilme)... 26

Şekil 2.10: Üretim kalite çevrimi... 31

Şekil 2.11: Taguchi toplumsal kayıp şeması... 32

Şekil 2.12: Taguchi metodunun sistematiği ... 34

Şekil 2.13: Geleneksel kalite anlayışı... 37

Şekil 2.14: Kalite kayıp fonksiyonu... 38

Şekil 2.15: Kalite kayıp fonksiyonu...39

Şekil 3.1 : Zwick Z250 marka çekme makinesi... 54

Şekil 4.1 : Yükleme boşaltma eğrileri... 56

Şekil 4.2 : %0, %5, %10, %20 katkılı polietilende 8 MPa gerilme değerinde %uzama-zaman grafikleri ... 57

Şekil 4.3 : %0, %5, %10, %20 katkılı polietilende 12 MPa gerilme değerinde %uzama-zaman grafikleri ... 58

Şekil 4.4 : %0, %5, %10, %20 katkılı polietilende 8 MPa gerilme değerinde gerilme -%uzama grafikleri ... 58

Şekil 4.5 : %0, %5, %10, %20 katkılı polietilende 12 MPa gerilme değerinde malzemede gerilme -%uzama grafikleri ... 59

Şekil 4.6 : %0, %38.89, %42.86 CaCO3 katkılı polipropilende 8 MPa gerilme değerinde uzama-zaman eğrilerinin karşılaştırılması ... 60

Şekil 4.7 : %0, %25, %134.62 katkılı polipropilende 16 MPa gerilme değerinde uzama-zaman eğrilerinin karşılaştırılması ... 60

Şekil 4.8 : %0, %38.89, %42.86 CaCO3 katkılı polipropilende 8 MPa gerilme değerinde gerilme-%uzama eğrileri ... 61

Şekil 4.9 : %0, %25, %134.62 CaCO3 katkılı polipropilende 16 MPa gerilme değerinde gerilme-%uzama eğrileri ... 61

Şekil 4.10 : %0, %25, %134.62 CaCO3 katkılı polipropilende 8 MPa gerilme değerinde uzama-zaman eğrileri ... 62

Şekil 4.11 : %0, %38.89, %42.86 CaCO3 katkılı polipropilende 16 MPa gerilme değerinde % uzama-zaman eğrileri... 63

Şekil 4.12: %0, %25, %134.62 CaCO3 katkılı polipropilende 8 MPa gerilme değerinde Gerilme-%Uzamaeğrileri…………..…... 63

Şekil 4.13: %0, %38.89, %42.86 CaCO3 katkılı polipropilende

16 MPa değerinde gerilme-%uzama eğrileri ... 64

Şekil 4.14: Değişkenlerin ortalama “Max. zorlanma” ya etkisi... 66

Şekil 4.15: “Max. zorlanma” ya ait S/N oranı... 66

Şekil 4.16: Standart sapmanın ortalama Max. zorlanma’ ya etkisi... 67

Şekil 4.17: Değişkenlerin ortalama “Sürünme” ye etkisi... 68

Şekil 4.18: “Sürünme” ye ait S/N oranı... 68

Şekil 4.19: Standart sapmanın ortalama Sürünme’ ye etkisi... 69

Şekil 4.20: Değişkenlerin ortalama “Sürünme Başlama Noktası” na etkisi... 70

Şekil 4.21: “Sürünme Başlama Noktası” na ait S/N oranı... 70

Şekil 4.22: Standart sapmanın ortalama Sürünme Başlama Noktası’ na etkisi... 71

Şekil 4.23: Değişkenlerin ortalama “Max. zorlanma” ya etkisi... 73

Şekil 4.24: “Max. zorlanma” ya ait S/N oranı... 74

Şekil 4.25: Standart sapmanın ortalama Max. zorlanma’ ya etkisi... 74

Şekil 4.26: Değişkenlerin ortalama “Sürünme” ye etkisi... 75

Şekil 4.27: “Sürünme” ye ait S/N oranı... 76

Şekil 4.28: Standart sapmanın ortalama Sürünme’ ye etkisi... 76

Şekil 4.29: Değişkenlerin ortalama “Sürünme Başlama Noktası” na etkisi... 77

Şekil 4.30: “Sürünme Başlama Noktası” na ait S/N oranı... 78

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo 2.1 : Polimer çeşitleri ve özellikleri ... 11

Tablo 2.2 : Dolgu maddeleri ve önemli parametreleri ... 13

Tablo 2.3 : Değişken ve düzey parametreleri ... 41

Tablo 2.4 : Standart dikey diziler ... 42

Tablo 2.5 : Dikey diziler için üretici bağıntılar ... 43

Tablo 2.6 : L9 ( 34) Dikey dizisinin oluşturulmasında kullanılan ara tablo ... 44

Tablo 2.7 : L9 (34 ) Dikey dizisi ... 45

Tablo 3.1 : L8 dikey dizisinin oluşturulması ... 47

Tablo 3.2 : Eltex Tub 172' nin fiziksel ve mekanik özellikleri ... 49

Tablo 3.3 : Denizciler marka enjeksiyon makinesinin teknik özellikleri ... 49

Tablo 3.4 : L16 dikey dizisinin oluşturulması ... 50

Tablo 3.5 : Polipropilen blok kopolimer (PP-B) malzemelerin fiziksel ve mekanik özelliklerine ait üretici verileri ... 51

Tablo 3.6 : Mineral dolguların imalatçı verileri ... 52

Tablo 3.7 : ALLROUNDER 370 CMD model enjeksiyon makinesinin teknik dfdfdfdfdfdözellikleri ... 53

Tablo 4.1 : L8 Dikey dizisinin oluşturulması ... 65

SİMGELER

σ : Gerilme

ε : Zorlanma

L : Belirli bir Y değerinde oluşacak kayıp değer L12 : 12 deney düzeni içeren

L’32 : Karışık düzeyli (2 yada 3) dikey diziler

s : Dikey dizide yer alan değişken düzeyleri

k : Tanımlanan değerlere bağlı tespit edilen katsayı

N : Deneme sayısı

ε1 :Hook kanununa uygun elastik şekil değiştirme

ε2 : Gecikmiş elastik şekil değiştirme

ε3 : İkincil sünme

Y : Kalite etkinlik karkteristiği

m : Hedef değer

S/G : Sinyal / Gürültü oranı QAN( sk ) : Bir dikey dizi

Kısaltmalar

LCA : Life Cycle Assement

PP : Polipropilen

PE : Polietilen

PS : Polistiren

PC : Polikarbonat

YYPE : Yüksek Yoğunluklu Polietilen

PA : Poliamid

AYPE : Düşük Yoğunluklu Polietilen OYPE : Orta Yoğunluklu Polietilen

ÇYMAPE : Çok Yüksek Molekül Ağırlıklı Polietilen

UV : Ultraviyole

PVC : Polivinilklorür

uPVC : Plastikleştirici katılmamış Polivinilklorür ASQC : Amerakan Kalite Kontrol Derneği

iPP :İzotaktik Polipropilen

PMMA : Polimetil metaklaret

JUSE : Japon Bilim Adamları ve Mühendisleri Derneği TKK : Toplam Kalite Kontrol

TKY : Toplam Kalite Yönetimi ASD : Alt Sınır Değer

ÜSD : Üst Sınır Değer

DOLGU MADDELİ POLİMER MALZEMELERİN TAGUCHİ YÖNTEMİ İLE PERFORMANS OPTİMİZASYONU

Nurdan KOCA

Anahtar Kelimeler : Polimer , Dolgu Maddeleri, Kalsiyum Karbonat, Sürünme, Taguchi

Özet: Çok sayıda değişkenin etkili olduğu süreçlerde, bu değişkenlerin hangilerinin ürün kalitesi üzerinde en etkili olduğunun, az sayıda deney yaparak belirlenmesi için uygulanan deney tasarımı yöntemleri, kalite teknikleri arasında en sık kullanılanlarıdır. Bu çalışmada, kalsiyum karbonat dolgu malzemesinin poliolefin grubu malzemelerin zorlanma ve sürünme özellikleri üzerine olan etkileri deney tasarım yöntemlerinden en etkin olduğu bilinen Taguchi Metodu ile incelenecektir. Polietilen ve polipropilen için iki farklı ortogonal dikey dizi hazırlanarak deney sayısı azaltılmış böylece zaman ve maliyet tasarrufu sağladığı görülmüştür. Polietilen için değişkenler, gerilme ve CaCO3 miktarı; polipropilen için, gerilme, CaCO3 ve

tane boyutudur. Polietilen için 8, polipropilen için 16 sürünme deneyi uygun görülmüştür. Elde edilen veriler Minitab Release 15 programı ile analiz edilmiştir. Gerilmenin zorlanma ve sürünme değerleri üzerinde en fazla etkiye sahip değişken olduğu görülmüştür. En fazla etkiye sahip ikinci parametre CaCO3 miktarı

gelmektedir. Polietilen için % 20’ lik CaCO3 oranı sürünme için en iyi değeri

verirken, polipropilen için %25’ lik CaCO3 oranı sürünme için en iyi değeri verdiği

PERFORMANCE OPTIMISATION OF THE FILLED POLYMER MATERIALS BY USING TAGUCHI METHOD

Nurdan KOCA

Keywords : Polymer, Reinforcement, Calcium Carbonate, Creep, Taguchi

Abstract: Experimental design methods are preferred to determine the most influential parameters on quality for the systems which depend on many parameters. Taguchi method has been a unique and powerful quality improvement discipline that differs from traditional practices. In this study, effect of the calcium carbonate filler on the strain and creep behaviours of polyolefine material will be investigated by using Taguchi Method.

For polyethylene and polypropylene materials test numbers are decreased by using two different orthogonal vertical series and it is investigated that this supplies time and cost economy. The parameters for polyethylene are stress and the amount of the CaCO3 for polypropylene materials are stress , the amount of the CaCO3 and the

dimension of grains. 8 creep tests for polyethylene and 16 creep tests for polypropylene applied. Minitab Release 15 software was used to analyse of obtained datas.

It is obviously considered that stress is the most effective parameter on the strain and creep values. The second most effective parameter is the amount CaCO3 . It is

investigated that % 20 CaCO3 for polyethylene and % 25 CaCO3 for polypropylene

1. GİRİŞ

Plastik latince “plasticus” kökenli olup, el ile yoğrulabilen, biçim verilebilen anlamındadır. Teknoloji diliyle makromoleküllerin kullanılmasına dayanan, ısı ve basınç etkisiyle kalıba dökülerek, fışkırtılarak veya akıtma yollarıyla biçimlendirilebilen yapay organik maddelerdir [1]. Günlük hayatın hemen her alanında rastlanan plastik malzemeler, hayatın vazgeçilmez parçaları olmuşlardır. Plastik malzemelerin bu kadar geniş kullanım alanlarına sahip olmalarının nedeni, yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olmasından ve ekonomik olarak elde edilebilmelerinden kaynaklanmaktadır. Yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olması, monomerlerin kendi kendileriyle ve diğer monomerlerle bağlanmalarında, bağlanma şekillerinin ve bağlanma miktarlarının bir sonucudur. Plastik sanayinin gelişmesi ikinci dünya savaşının bitiminden sonra başlamıştır. Başlangıçta petrolün yeteri kadar ekonomik olmaması nedeniyle ham madde olarak kömür kullanılmış, 1950 yılından itibaren hammaddenin kömürden petrole dönüşümü ile plastik sanayini hızla geliştirmiştir. Birçok yeni ürün art arda bulunarak özellikle metal malzemeye büyük bir alternatif oluşturulmuştur. Plastik malzemelerin ekstruzyon, enjeksiyon ve diğer üretim yöntemleri ile kolay ve kitlesel üretimi, bu dönüşümü genişletmiş, hızlandırmış ve bugünkü seviyelere getirmiştir. Plastik malzemelerin diğer birçok malzemenin yerini alması, henüz devam eden bir süreçtir ve önümüzdeki yıllarda metal, ağaç ve yün kullanılan birçok ürün, daha çok plastik malzemelerden üretilecektir. Plastiğe bu özelliği veren faktörler ise ucuzluk, kolay işlenebilme, hafiflik, kimyasal maddelere karşı direnç, yalıtkanlık ve benzeri özelliklerdir.

Diğer taraftan plastiklerin yaşam boyu dönüşüm (LifeCycleAssement- LCA) değerlerinin cam, demir, alüminyum, nikel gibi inorganik yapıdaki malzemelere göre düşük olması ve plastik atıkların geri dönüşüm işlemi ile ve enerji olarakta değerlendirilebilir olması plastik malzemelerin diğer malzemelere göre doğada

göreceli yani daha az kirlilik yaptığı çevreci gruplar tarafından da kabul görmeye başlamıştır. [2]

Plastiklerin mekanik özelliklerinin metallerden daha düşük olması nedeniyle üretim teknolojilerinde yeni yöntemler geliştirilerek plastiklere birtakım katkı ve dolgu maddeleri ilave edilmesi sonucunda maliyet ve performans özellikleri gibi hususlarda büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu katkı maddelerinden günümüzdeki bilimsel araştırmalar da en yaygın olarak kullanılanları kalsiyum karbonat, talk, asbest ve cam elyaftan oluşmaktadır.

Bu çalışmada, termoplastik malzeme grubundan polietilen ve polipropilen malzeme kullanılmıştır. Dolgu malzemesi olarak kalsiyum karbonat ( CaCO3 ) kullanılmıştır.

Kalsiyum karbonat dolgu malzemesinin termoplastik malzemelerin zorlanma ve sürünme özellikleri üzerine olan etkisinin taguchi ile optimizasyonu yapılmıştır.

2. GENEL BİLGİLER 2.1. Polimerler

Polimerler “monomer” denilen birimlerin bir araya gelmesiyle oluşmaktadır. Organik kimyacılar ondokuzuncu yüzyılın ortalarında bazı denemelerinde rastlantısal olarak yüksek molekül ağırlıklı maddeler sentezlediler. Bu yüzyılın ikinci yarısından itibaren polimer konusundaki araştırmalar gelişmiş ve yeni polimer türleri geliştirilmiştir. Bu alanın öncüsü Alman kimyager Herman Staudinger. Herman Staudinger ilk defa polimerizasyon koşullarının polimer oluşumu üzerine etkisini tanımlamıştır. Staudinger kimyanın bu alanında yaptığı çalışmalarla 1953 yılında Nobel ödülünü almıştır. Bu alanda ilk kez çalışan araştırmacılar doğal polimerleri taklit ederek işe başlamışlar ve 1930 yılında Wallace Carothers Nylonu sentezlemeyi başarmıştır. İkinci dünya savasından bu yana birçok polimer laboratuarlar da üretilmiş ve ayrıca birçok polimer endüstriyel ölçekte üretilmeye başlamıştır. Endüstriyel organik kimyacılar ise daha çok polimer kimyası alanına kayarak çalışmalarını bu yönde sürdürmeye başlamıştır. Bunun sonucu olarak günümüzde sayısız polimer türü geniş bir uygulama alanın da çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Şekil 2.1’ de yaygın olarak kullanılan bazı polimerlerin formülleri ve sentezlendikleri monomerler gösterilmiştir. [3]

Şekil 2.1: Bazı polimerlerin formülleri [3]

Polimerleri inceleyebilmek için sınıflandırılmaları gerekir. Amaca uygun olarak aşağıdaki sınıflandırmalar yapılmıştır. Ayrıca tablo 2.1’ de polimer çeşitleri ve özellikleri ile ilgili bilgi verilmiştir.

a) Molekül ağırlıklarına göre (oligomer, makromolekül) b) Doğada bulunup, bulunmamasına göre (doğal, yapay) c) Organik ya da anorganik olmalarına göre

Organik polimerler: Yapılarında C,H,O,N ve halojen atomları içerirler.

İnorganik polimerler: Ana zincirde C atomu yerine , periyodik cetveldeki IV-VI grup elementleri yer alır.

d) Isıya karşı gösterdikleri davranışa göre (termoset ve termoplastikler)

e) Zincirin kimyasal ve fiziksel yapısına göre (düz, dallanmış, çapraz bağlı, kristal, amorf polimerler)

f) Zincir yapısına göre (homopolimer, kopolimer) g) Sentezlenme şekillerine göre

Polimerleşme reaksiyonları esnasında pekçok monomer, diğer monomerlerle ya da ortamda daha önce tepkime vermiş ve böylece belli bir moleküler ağırlığa ulaşmış, bir molekül zinciri ile tepkime verebilir. Oluşan zincirlerin büyüklükleri, türlerin moleküler yapılarından, tepkime verme yollarına ve sentez şekillerine kadar, pek çok faktöre bağlıdır. Eğer polimer zinciri yeterince büyümemişse, bu tip polimerler

Doğal makromoleküller olmaksızın doğadaki hayatın devamı düşünülemez. Çünkü hayatın kendisini oluşturan temel elemanlar bu moleküllerdir. En iyi bilinen ve hemen akla geliveren örneklerin bazıları proteinler, selüloz, keratin gibi doğal makromoleküllerdir.

Her gün gelişen yeni polimer sentez yöntemleri sayesinde elde edilmiş binlerce polimere hergün yenileri ilave edilmektedir. Günlük hayatın hemen her alanında rastlanan polimerik malzemeler, hayatın vazgeçilmez parçaları olmuşlardır. Polimerik malzemelerin bu kadar geniş kullanım alanlarına sahip olmalarının nedeni, yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olmasından ve ekonomik olarak elde edilebilmelerinden kaynaklanmaktadır. Yapısal özelliklerinin istenildiği gibi ayarlanabilir olması, monomerlerin kendi kendileriyle ve diğer monomerlerle bağlanmalarında, bağlanma şekillerinin ve bağlanma miktarlarının fazlalığının bir sonucudur. Ayrıca istenilen fonksiyonlara sahip polimerler de uygun fonksiyonel gruplu monomerler kullanılarak kolayca hazırlanabilir.

Anorganik polimerlerde esas zincir karbona dayalı yapıya sahip değildir ve genellikle organik polimerlere kıyasla daha fazla ısıya dayanıklı ve daha serttirler. Yüksek oranda çapraz bağ içeren sistemler ise termoset olarak tanımlanır. Termoplastik bir malzeme sıcaklık artışı ile eriyerek şeklini değiştirebilen bir polimerdir ve böylece kalıplara dökülebilmesi mümkün olur. Oysa yüksek oranda çapraz bağ içeren bir yapının sıcaklık artışı ile böyle bir değişim geçirmesi, zincirlerin hareketli olmayışı nedeniyle, zordur ve sıcaklığın artışı bu tür malzemelerin erimesine değil, malzemenin parçalanmasına neden olur.

Tek tür birimlerden oluşan polimer zinciri homopolimer, iki ya da daha fazla monomer içeren polimerler ise kopolimer olarak adlandırılırlar. Kopolimerler genellikle farklı monomerlerin düzensiz birleşmesinden oluşarak rastgele (random) kopolimeri oluştururlar. Bununla beraber, alternatif, blok, graft ve steroblok kopolimerler bu kuralın dışındadır. Alternatif kopolimerde monomer birimleri birbiri ardına gelir. Blok kopolimer farklı homopolimerlerin uzun segmentlerini içerir. Graft

kopolimer ya da diğer bir deyimle aşı kopolimer ise asıl mevcut bir polimer zinciri üzerinde bir dallanma olarak ikinci bir monomer içerir.

Bazı termoplastik polimerler ve kullanım alanları:

• Alçak ve yüksek yoğunluklu polietilen; Başlıca kullanıldığı yerler, filmler, borular, kalıplanmıs esya, elektriksel yalıtıcı, asit kapları, kap ve kutular, oyuncak, mutfak esyaları, kablolarda yalıtkan tabakalar. YYPE (yüksek yoğunluklu polietilen) yoğunluğu 0,936-0,960 gram/cm3 arasında değişen, düşük basınçta üretilen bir polietilen türüdür. YYPE yaygın olarak süt, ayran gibi gıda ürünlerinin ve zirai ilaçlar, madeni yağlar, deterjanlar gibi kimyasalların ambalajlanmasında kullanılır. • Polivinilklorür ve vinil kopolimerleri (PVC); Baslıca kullanıldığı yerler: Film, levha yapımında, yağmurluk, çanta, banyo perdeleri, döşeme, yer kaplamaları, elektrik kablo ve tellerinde yalıtıcı olarak, kumas örtülerin kaplanmasında, plak yapımında, su tesisat malzemelerinde.

• Polistiren (PS); Bu polimer amorf yapıdadır, parlak ve berrak görüntüsü vardır. Yiyecek ve içeceklere karşı çok dayanıklıdır. Düğme, ışık düğmeleri, içecek şişeleri ve paketleme malzemesi olarak kullanılır.

Polipropilen (PP); Hammaddesi kimyasalara karşı direnç ve bariyer özellikleri bakımından yüksek yoğunluklu polietilene benzer. Fiziksel özellikleri kopolimerleştirme sayesinde geliştirlmiştir. Homopolimer PP darbeye karşı nispeten dayanıklı ve sert bir malzemedir. Blok Kopolimer PP içeriğinde etilen bulunur ve bu sebeple daha dayanıklıdır. Blok kopolimerlerde, polimer zinciri her bir monomerin belirli boyutlardaki polimerlerinin bloklar halinde birbirlerine bağlanması ile oluşmaktadır. Monomer birimlerini P (polipropilen monomeri) ve E (etilen monomeri) ile gösterilecek olursa zincirin yapısı PPPPEEEEPPPPEEEE şeklinde olur. Homopolimerden çok daha dayanıklıdır. Polipropilen blok kopolimer, propilen ile etilenin belli oranlarındaki karışımının polimerizasyonundan elde edilir. Polimer zinciri içinde propilen ve etilen molekülleri bloklar halinde bulunduğundan polietilen ve polipropilen arası bir özellik arz ederler. Dondurma gibi dondurulmuş gıdaların ambalajlanmasında kullanılır. Random Kopolimer PP darbelere karşı dayanıklı fakat düşük sıcaklıklarda kırılgandır. Daha çok (termoform) ısı ile şekillendirme prosesi ile üretilen kapların üretiminde kullanılır. Örnek olarak ketçap şişeleri verilebilir. [1]

• Poliamid (PA); Kimyasal direnç, sertlik, iyi aşınma direnci, kolay kalıplanabilirlik, hafiflik ve düşük sürtünme katsayısı. Şişe, lastik, lif, paketleme, dikiş ipliği, çeşitli aletler, dişli ve misina yapımında kullanılır.

• Polikarbonat (PC); Darbelere karşı dayanıklılığı çok iyi olan, kırılmaz ve berrak bir malzemedir. Su damacanaları polikarbonattan imal adilmiş plastik şişelerdir. • Poliüretan ; Kristal yapılı, Te = 200° C. Sert poliüretanlar 150° C’ye kadar

dayanıklı. İyi fiziksel ve kimyasal elektriksel özelliğin yanı sıra diğer reçinelerle kullanıldığında üstün ürün çesitliliği sağlar. Baslıca kullanıldığı yerler: Elastomer, fiber, kaplayıcı, yumusak ve sert köpük olarak geniş bir uygulama alanı bulunur. Roket yakıtı bileseni olarak da kullanılır.

• Selülozikler; Dış ortamda dayanıklılık, yüzey parlaklığı, yüksek vurma direnci, düşük ısıl iletkenlik ve yüksek dielektrik özelliği. Tekstil ve kağıt endüstrisi, manyetik bant, paketleme ve ambalaj malzemesi, kalınlaştırıcı, boru ve tüp yapımında kullanılır.

• Naylon ; İyi mekanik ve tribolojik özelliklere sahip olan naylon dişli çark, kam, kaymalı yatak malzemesi olarak kullanılır.

Bazı termoset polimerler ve kullanım alanları :

• Alkidler; Alkid reçineleri, alkol ve asitlerden yapılan poliesterlerdir. Bileşimleri çok değişik olabilir. En çok üretilen alkid reçinesi ftalik anhidrit ile gliserinden yapılır. Organik boya, cila ve lake üretiminde geniş ölçüde kullanılır. Maleik anhidrit ile yapılan alkid reçineleri, cila ve lake kaplamalarında sertleştirici olarak işlev görür. • Epoksi reçineler; Aminler gibi çapraz bağ olusturan maddelerle birlikte termoset polimer; sağlam, eğilip bükülebilen, kimyasal etkenlere son derece dayanıklı, iyi yapışma özelliği olan, iyi ısı yalıtımı olan maddeler. Yüzey kaplamalarında, yapıştırıcı olarak, metal bağlayıcı yapıstırıcılarda geniş ölçüde kullanılır. 80° C’ye kadar dayanıklıdır.

• Fenolikler; Bakalit türünden kalıplanmış eşya yapımında, cila, lake, yapıştırıcılar, elektrik aletleri parçaları, levha ve plakalar, fren astar ve balatasında kullanılır.

• Polyester; Alevlenmeye ve kimyasallara karşı üstün direnç, düşük fiyat, üstün mekaniksel ve elektriksel özellik, üstün ısıl kararlılık. Yapı malzemeleri, levha ve plaka, hava ve deniz taşıt parçaları, lif dekoratif malzeme, misina ve kayak malzemesi olarak kullanılır. [4] d.

Doç. Dr. Atilla Evcin

2.1.1. Polietilen (PE)

Polietilen, çok çeşitli ürünlerde kullanılan bir termoplastiktir. İsmini monomer haldeki etilenden alır, etilen kullanılarak polietilen üretilir. Plastik endüstrisinde genelde ismi kısaca PE olarak kullanılır. Etilen molekülü C2H4, aslında çift bağ ile

bağlanmış iki CH2’ den oluşur. (CH2=CH2) Polietilenin üretim şekli, etilenin

polimerizasyonu ile olur. Polimerizasyon metodu, radikal polimerizasyon, anyonik polimerizasyon, iyon koordinasyon polimerizasyonu ve katyonik polimerizasyon metodları ile olabilir. Bu metodların her biri farklı tipte polietilen üretimi sağlar. [5]

Şekil 2.2 : Etilen monomeri

Şekil 2.3: Polietilen

Polietilen ilk olarak 1930’lu yıllarda sentez edildi. Daha sonra çeşitli proses metodları ve kristal sistemleri kullanılarak değişik uygulamalara yönelik polietilen türleri geliştirilmiştir. PE’ nin ilk uygulamaları askeri amaçlı olmuştur. Yeraltı borularının kaplanması ve radar yalıtımı gibi bir çok sahada askeri amaçlı kullanımı II. Dünya savaşında önemli bir avantaj sağlamıştır. PE’nin en yaygın sınıflandırma biçimi yoğunluğa göre yapılanıdır. Yoğunluğuna göre dört ana grupta toplanır. I. 0.91-0.9250 g/cm3 Düşük Yoğunluklu Polietilen (AYPE)

II. 0.926-0.940 g/cm3 Orta Yoğunluklu Polietilen (OYPE) III. 0.941-0.959 g/cm3 Yüksek Yoğunluklu Polietilen (YYPE)

YYPE (yüksek yoğunluklu polietilen): Yoğunluğu 0,936-0,960 g/cm3 arasında değişen, düşük basınçta üretilen bir polietilen türüdür. YYPE yaygın olarak süt, ayran gibi gıda ürünlerinin ve zirai ilaçlar, madeni yağlar, deterjanlar gibi kimyasalların ambalajlanmasında kullanılır. YYPE hammaddesi, plastik şişe üretim proseslerinin hepsinde işlenebilir. İnce duvarlı kaplar ile plastik kapak üretimi için uygun olan YYPE hammaddeleri ise enjeksiyon kalıplama prosesi ile işlenir.

YYPE birçok uygulama için oldukça ekonomik ve sağlam bir polimerdir. Doğal durumunda süt beyazı, yarı saydam bir malzemedir. Bu yüzden berraklığın önemli olduğu uygulamlarda kullanılmamaktadır. YYPE kolaylıkla istenilen renge boyanabilir. YYPE’ nin neme karşı bariyer özelliği çok iyidir. Gaz bariyer özelliği düşüktür. Bu yüzden özellikle oksijen geçirgenliğinin önemli olduğu ambalajlarda tek katlı değil, bariyer polimerleri ile birlikte koekstrüde edilerek kullanılmaktadır. Kimyasallara karşı direnci çok iyidir. [6]

2.1.2. Polipropilen (PP)

Polipropilen, propilen monomerlerinin katılma polimerizasyonu ile elde edilen yarı kristalin bir termoplastik malzeme olup, YYPE’ e benzemekle beraber birçok koşullara daha dirençli ucuz ve kaliteli bir mühendislik plastiğidir. Yoğunluğu 0.900 ile 0.910 g/cm3 arasında olan mum beyazı görünümünde rijit bir üründür. Yüksek mekanik özelliklere sahip olmasının yanı sıra, düşük sıcaklıklarda darbe dayanımı üretim ve deney koşullarına bağlı olarak değişim gösterir.

Polipropilenin kimyasal direnci iyi olup, bu değer kristalin derecesi arttıkça daha da artar. Elektiriksel özellikleri de oldukça iyi olmasının yanı sıra, suya ve sıradan çözücülere karşı dirençlidir. Çeşitli katkılı maddeleri katılarak hava ve ışığa karşı direnci arttırılır. Özellikle %2 lik karbon siyahıyla ultraviyole (UV) ışığa karşı direnci uzun süre korunabilir. Enjeksiyonla parça yapımına da çok elverişlidir. İyi işlendiğinde parlak bir yüzey elde edilir. Kolayca kaynak edilebilir, talaşlı işlenir. Polipropilen yarı kristalin bir polimer olduğu için kendine has bir davranışı vardır. Soğuma şartları değiştirilerek kristallenme miktarı değişir. Kristallenme sıcaklığı 30-135 °C arasındadır. Ancak polipropilen 100 °C ye kadar mekanik özelliklerini koruyarak 120 °C ye kadar da deforme olmaz. [1]

2.1.2.1 Polipropilen çeşitleri

Polipropilen yapısındaki atomların dizilişlerine göre ataktik, izotaktik ve sindiotaktik olmak üzere üç gruba ayrılırken, polipropilen monomerlerinin diziliş çeşitlerine göre de homo polipropilen, blok kopolimer, random kopolimer ve seçenekli (alternatif) kopolimer olarak gruplandırılır.

Ataktik polipropilen molekülleri gelişigüzel dizilmiş olup aralarında herhangi bir simetri bulunmaz. Molekül ağırlığı ve yönlenme arttıkça gerilmelere dayanımı düşer. İzotaktik polipropilen ise soğuma esnasında soğuma aralığının uzun tutulmasından, atomların dizilme meydana getirecek formda olmasından ve atomlar arası bağ mukavemetlerinin kuvvetli olmasından dolayı kristalin bir yapıya sahiptir. Sindiotaktik polipropilende izotaktik gibi kristal yapılı olup, tek farkı düşük sıcaklıktaki polimerizasyonla elde edilmesidir. İzotaktik ve kısmende sindiotaktik PP polimerik malzeme olarak sıklıkla kullanılırken, ataktik PP nin kullanım alanı uygun olmayan özellikleri nedeniyle kısıtlıdır. [7]

Polipropilendeki en önemli dezavantaj darbe dayanımının düşük olmasıdır. Bu olumsuzluğun giderilmesi için propilen etilenle kopolimerize edilerek “Rastgele” kopolimer oluşturulması sonucunda sorun çözülmeye çalışılmıştır. Ancak bu takdirde azalan kristal yüzdesi nedeniyle, malzemenin sertliği azalmakta ve mekanik

özelliklerinden bazı kayıplar olmaktadır. Bu olumsuzlukları yenmek için blok kopolimerizasyonundan yararlanılmaktadır.

Tablo 2.1: Polimer çeşitleri ve özellikleri

AYPE YYPE PP PVC PET PS Gıda

Ambalaj Malzemesi

Evet Evet Evet Evet Evet Evet

Sıcak Dolum Sıcaklığı 80 °C 95 °C 120 °C 50-65 °C Standart 60 °C 60-95 °C Oksijen

Bariyeri Çok Düşük Düşük Düşük Orta İyi Düşük

Nem

Bariyeri İyi Mükemmel Mükemmel Vasat Vasat Düşük Darbeye

Mukavemeti Mükemmel İyi Orta Orta Mükemmel Düşük ile Vasat

arası

Berraklık Vasat Düşük Orta İyi Mükemmel Düşük

ile mükem

mel arasi

2.2 Dolgu ve Güçlendirici Maddeleri

Plastik hammaddeler çeşitli yöntemlerle ürünlere dönüştürülürken nihai ürünün gerek maliyetlerini azaltmak gerekse kalitesini iyileştirmek için şekillendirme esnasında ana plastiğe birtakım katkı ve dolgu maddeleri de ilave edilirler. PVC’den üretilen ürünlerde bu katkılar dünyada olduğu gibi ülkemizde de yıllardır kullanılmaktadır. Ancak insan sağlığının ön planda olduğu ürünlerde kullanılması ve kullanım sonrası imha edilmesi sırasında çevreye zarar vermesi ile ilgili sürekli tartışma konusu olan PVC’nin yerine farklı malzemelerin kullanılması konusunda çalışmalar gelişmiş ülkelerde hızla devam etmektedir. Poliolefin grubu plastiklerden

olan PE ve PP malzemelerden üretilen ürünlerde de bu katkıların (CaCO3, talk ve

baryum sülfat) kullanılabileceği konusunda son yıllarda sürdürülen birtakım araştırmalar ve pilot uygulamalar olmakla birlikte ülkemizde bu konuda teknik bilgi birikimi ve herhangi bir uygulama söz konusu değildir. CaCO3 (kalsiyum karbonat)

türü katkıların poliolefin borularda kullanımı sayesinde plastik borular lehinde önemli bir kalite avantajı sağlanıp maliyetlerde kayda değer azalmalar ve dolayısıyla da ülke ekonomine ve ekolojiye katkı sağlanmış olunacaktır. [11]

Plastiklerin yaygın olarak kullanıldığı yerlerden olan boru iletim sistemlerinde PE ve PP gibi poliolefin grubu borular, ev ve enerji, kimya, çimento ve tarım gibi çeşitli iş kollarında basınçsız ve basınçlı, sıcak ve soğuk, temiz ve atık (pis) su ve sıvılarla diğer gaz ve katı haldeki maddelerin iletilmesinde, dağıtılmasında ve atılmasında farklı türdeki boru iletim sistemlerinde çok yaygın olarak kullanılmakta ve bu kullanımı sürekli artmaktadır

Plastik boruların hem maliyetlerini düşürüp kalitelerini yükseltmek hem de kullanım alanlarını ve oranlarını genişletmek için ana polimer içine birtakım dolgu ve katkı maddeleri katılmaktadır. Doğru ve uygun oranlarda kullanılan bu katkıların yararını maksimize etmek için bir zorunluluktur. [8]

Polimere karıştırılan dolgu maddesi miktarı belli bir değere ulaştığında, polimerin mekanik özellikleri zayıflar ve sertliği artar. Bu nedenle polimerlerde kullanılacak dolgu maddesinin bir üst sınırı vardır.

Dolgu maddeleri kendi içinde inert ve aktif dolgu maddeleri şeklinde ikiye ayrılarak değerlendirilir. Bazı dolgu maddeleri polimerik ürünün fiyatını düşürme yanında polimerin sertlik, mekanik dayanıklılık, ısıya dayanım, görünüş, kimyasal direnç türü fiziksel ve mekanik özelliklerinden bazılarını olumlu yönde etkilerler. Bu tür dolgu maddelerine aktif dolgu maddesi adı verilir. Metal oksitler, grafit, silika polimerin sertliğini ve kimyasal direncini, seramik oksitler ve silika polimerin ısıl dayanımını arttırır. Karbon siyahı özellikle elastomerlerde kullanılan aktif bir dolgu maddesidir. İnert dolgu maddeleri, polimer özelliklerini olumlu yönde etkilemezler, yalnız polimerik ürünün fiyatını düşürürler. Kalsiyum karbonat (CaCO3) en yaygın

kullanılan dolgu maddelerinden birisidir. Bazı dolgu maddeleri ve polimerler üzerindeki önemli parametreleri Tablo 2.2’de belirtilmiştir. [9]

Tablo 2.2: Dolgu maddeleri ve önemli parametreleri

Özellik Cam Elyaf Mika Talk Kaolin Cam Kürecik Kalsit

Çekme Mukavemeti +++ + + + + + Esneklik Modülü +++ + + + + + Darbe Mukavemeti + + - - - - Genleşme - - - - + Kalıp Çekmesi - - - - İzotropi / Tolerans -- + + + ++ ++ Isı iletkenliği + + + + + ++ Elektrik Mukavemeti 0 ++ ++ 0 0 Isısal Kararlılık 0 + + + 0 0 Sertlik +++ + + + ++ + Kimyasal Mukavemet + 0 0 0 + 0 Aşınma ++++ 0 + 0 0 0

2.2.1. Polipropilen ve mineral dolgular

Dolgular polimerlerin hacmini arttırmak ve özelliklerini iyileştirmek için hammadde içerisine ilave edilen, plastik matrislerinden yapı ve oluşum olarak farklı olan katı katkılardır. İnorganik mineraller daha pahalı reçineler ile karıştırıldıklarında tatmin edici maliyet avantajları sunmaktadır. Bu şekildeki dolguların ilave edilmesi ısıl kararlılığı arttırmakta, artan kalıplanabilirlik, daha büyük sertlik ve rijitlik gibi faydalar sunmaktadır. Dayanım, ısıl ve elektriksel ve iletkenlik, yanmazlık gibi özellikler ise ihtiyaçlara göre uyarlanabilmektedir. [11]

Polimer içerisine eklenen ikincil komponent (dolgu veya takviye edici) kristalin yapısını değiştirmekte ve dolayısıyla çeşitli özelliklerinde değişikliklere yol açmaktadır. Partikül dolguların en önemli etkisi çekirdeklendirici aracı olarak hareket etmeleri ve ilave edildiği polimere çekirdeklenebilme kabiliyeti

kazandırmasıdır. Tam olarak çekirdeklendirici aracıların tarifi ve sınıflandırılması açık bir şekilde yapılmasa da “Varga talkı” aktif çekirdeklendirici olarak sınıflandırmış, CaCO3 karbon siyahı, dolomiti ise inaktif çekirdeklendirici olarak

sınıflandırmıştır.

Son yıllarda dolgulu plastikler ve kompozit malzemeler özellikle teknik uygulamalarda artan önemli bir rol oynamaktadırlar. PP malzemelere dolguların ilave edilmesi sertliğini, elastisite modülünü, eriyik viskozitesini arttırır. Buna karşılık uzama, darbe dayanımı, eriyik indeksinde genellikle düşüş elde edilmiştir. Belirli oranlara kadar dolgu yüklemesinin yararları olduğu gibi limit değerlerin üzerine çıkılması durumunda topaklaşmalardan dolayı özelliklerin kötüleşmesine neden olmaktadır .

Kompozitlerin mekanik ve diğer özellikleri üzerine dolgunun etkisi kuvvetli bir biçimde dolgu şekli, partikül boyutu, topaklaşma derecesi, yüzey karakteristikleri ve dolgu maddesinin dağılım derecesine bağlıdır. Kısmi kristalin polimerlerde önemli bir bakış açısı da kristalin morfolojisi üzerinedir. Çünkü malzemenin en son özellikleri öncelikle kristalinite derecesi, küreselliklerin boyutu, lamelar kalınlık ve kristalin yönlenmesi gibi mikroyapısal faktörlere dayanmaktadır. Yüksek kristalinite derecesi ile iPP' ler gevrek karakteristiklere ve ~0 °C civarındaki düşük sıcaklıklarda yetersiz darbe dayanımına sahiptirler . [9]

Kısmi kristalin polimerik malzemelerde talk, kalsiyum karbonat, vollastonit, kil gibi maddeler kuvvetli olarak kristalizasyon prosesine, kristalleşme derecesine etki ederler ve kristallenme başlangıç sıcaklığını arttırmaktadırlar. Yapısının modifiye edilebilmesi ve özelliklerin uygulamalara bağlı olarak geliştirilebilme olanağı bulunan PP' in özeliklerini uyarlamanın bir yolu da uygun inorganik mineral dolguların ilavesi ile yapılabilmektedir. Bu bağlamda talk ve kalsiyum karbonat hammadde özelliklerinin iyileştirilmesi için diğer inorganik dolgulara (vollastonit, mika, kaolin gibi ) nazaran PP ile birlikte en çok kullanılan dolgular içerisinde yer almaktadır .

CaCO3 minerali ekonomik oluşu, kullanışlığı, geniş partikül dağılımında

üretilebilirliği ve mekanik özelliklere katkısı, düşük sertlik gibi avantajları dolayısıyla plastik endüstrisinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır.

Talk dolgulu PP günümüzde birçok uygulamada yaygın olarak kullanılmakta ve plastik pazarında imalat hacmi en yüksek olandır. Talkın yüzeyi PP için çekirdeklenme noktaları olarak hareket eder ve kristalizasyon özelliklerini etkileyerek kompozitin makroskobik özelliklerine etki edebilmektedir. Çeşitli araştırmalarda talkın çekme ve eğilme dayanımı gibi mekanik özellikleri arttırıcı rol üstlendiği bildirilmektedir. Leong ve arkadaşları farklı dolgular üzerine yaptıkları çalışmalarda talkın kuvvetli bir çekirdeklendirici ajan olması sebebiyle polipropilen kompozitinin kristalinitesini arttırdığını rapor etmişlerdir. Naiki ve arkadaşları ise kristalleşme sıcaklığı ve erime sıcaklığının talk dolgusuz PP' lere göre daha yüksek olduğunu söylemişler ve bunu talkın çekirdeklendirebilme kabiliyeti kazandırmasına bağlamışlardır .

Bileşen özellikleri ve malzemelerin mekanik karakteristikleri açık bir şekilde arayüz boyutuna ve etkileşim kuvvetine dayanan ara yüz etkileşimlerinden etkilenirler. Özgül yüzey alanı dolguların en önemli karakteristiklerinden biridir ve polimer ile dolgu arasındaki bağlantı miktarını belirler. Büyük yüzey alanına sahip dolgular matris ve dolgu arasında daha fazla yüzey bağlantısına katkıda bulunur ve böylece kompozitin mekanik özelliklerinin artmasına katkı sağlamaktadır. Hammadde ile dolgu arasındaki etkileşimi arttırmak amacı ile belirli karışımlara belirli yüzdelerde bağlayıcı aracılar ilave edilmesi ve dolgu partikül yüzeylerinin işlenmesi uygulanmaktadır. Herhangi bir yüzey modifikasyonu PP' in katalitik aktivite vasıtası ile polimer matrisi ile dolgu yüzeyi etkileşiminden ve segmentlerin yönlenmesinden dolayı çekirdeklerime kinetiklerinin değişmesine yol açabilir. Bu sebeple dolguların uygun bağlayıcı ile modifıye edilmesi moleküler segmentlerin hizalanmasını yükseltmektedir.

Tane boyutu küçük olan dolguların yapışma yüzey alanları daha fazla olduğundan tane boyutu büyük olan dolgulara nazaran daha iyi bir etkileşim göstererek istenen özellikleri daha iyi sağlamaktadırlar. Fakat tane boyutu küçüldükçe dolgunun

kompozit içerisinde topaklaşma eğilimi artmakta ve homojen olmayan bir yapıya sebebiyet vermektedir. Bağlayıcı ajanlar vasıtası ile ara yüzeyler arasındaki yapışma arttırır ve dolgu partiküllerinin karışım içerisinde homojen olarak dağılımı sağlanır, böylece topaklaşmaların önüne geçilmesi ve mekanik özelliklerin olumlu yönde geliştirilmesi ve buna bağlı olarak ta kompozitin performansının arttırılması sağlanır.

2.2.2. Kalsiyum karbonat

ƒ Kimyasal formülü CaCO3 olan kristalleşmiş kalsiyum karbonat.

ƒ CaCO3’ ün fiziksel ve kimyasal özellikleri: [10]

1. Görünüm: Beyaz toz 2. Erime Noktası: 825 °C

3. Parlama Noktası: Mevcut değil 4. Buhar Basıncı: Mevcut değil 5. Yoğunluk: 2.7 – 2.9 g/cm3 6. Suda Çözünürlük: 0.1 g/l 7. pH Değeri: 8.5 – 10 arası

Ayrıca değişik çalışmalarda CaCO3 (kalsiyum karbonat) ve talkın tatmin edici

özelliklerinin ortak olarak etkilerini araştırma amacı ile bu iki dolgunun beraber ilave edildiği hibrit kompozitler üzerine çeşitli araştırmalar yapılmıştır. Leong ve arkadaşlarının 2004 yılında, talk ve CaCO3 (kalsiyum karbonat) dolgulu hibrit

kompozitleri üzerine yaptıkları çalışmalarında PP matrisi üzerinde hibrit dolgunun kompozitlerin modülünü artıran ve dayanımını koruyan çekirdeklendirici etki yaptığını rapor etmişlerdir. Yapılan çalışmada özelliklerdeki değişimin kompozitte baskın olan dolgunun (oran olarak fazla olan) özelliklerini kazandığını göstermiştir. [12]

Dolgu özelliklerinin kompozitlerin özellikleri üzerine etkileri aşağıdaki gibi sıralanabilmektedir:

Kimyasal bileşim: PP' in uygulama olanakları ve performansını doğrudan veya dolaylı olarak etkiler. Bileşimde ağır metallerin varlığı PP' in kararlılığını azaltır ve yetersiz saflık ürün rengini bozar.

Partikül boyutu, partikül boyutu dağılımı: Partikül boyutu azaldıkça dayanım artmakta, şekil değiştirme ve darbe dayanımı ise azalmaktadır. Partiküllerin hammadde içerisindeki dağılımı abrazyon. ürün görünümü, hasar karakteristiklerini etkilemektedir. [11]

Spesifik yüzey alanı: Yüzey alanı arttıkça matris/dolgu etkileşimi artmakta ve alana, çekme gerilmeleri ve darbe direnci gibi mekanik özellikler belirgin olarak etkilenmektedir.

Sertlik: Mineral dolguların sertliklerinin proses ekipmanlarının aşınması üzerine etki etmektedir.

Yüzey serbest enerjisi: Matris/dolgu ve dolgu/dolgu etkileşimlerinin her ikisini de etkilemektedir. Dolgu/dolgu etkileşimi topaklaşmaları belirlerken matris/dolgu etkileşimi mekanik özellikleri etkiler. Yüzey işleme ile her ikisi de modifîye edilebilmektedir.

Isıl Özellikler: Azalan ısıl kapasite ve artan ısıl iletkenlik soğutma süresini azaltır. Diğer taraftan ısıl özelliklerdeki büyük değişiklikler dış yükler altında kompozitin performansına etki eden ısıl gerilmelerin gelişmesine neden olmaktadır. [11]

2.3. Polimerlerin Mekanik Özellikleri

Polimerlerden yapılmış ürünler kullanımları sırasında, değişik kuvvetlerin (yük, yükleme) etkisinde kalırlar. Örneğin; alışverişlerde kullanılan poşetlere, içlerindeki malzemenin ağırlığından dolayı aşağı doğru çekme, plastik yer döşemeleri üzerlerine basıldığında sıkıştırma, araçlarda kullanılan lastikler sıkıştırma yanında eğilme yükleri ile karşılaşırlar.

Maddeler dışarıdan üzerlerine uygulanan kuvvetlere farklı yanıtlar verirler ve uygulanan yükün ağırlığına bağlı olarak koparlar, uzarlar, bükülürler, yırtılırlar, kırılırlar veya parçalanırlar. Mekanik özellikler, maddelerin çekme, sıkıştırma gibi dış kuvvetler karşısında gösterdikleri tepkilerin tamamını kapsar. Malzeme aylarca,

yıllarca veya saniyelerle ölçülecek kadar kısa süreli yük etkisinde kalabileceği gibi zamanla yükün büyüklüğü de değişebilir.

Polimerlerden üretilen malzemelerin çekme dayanımı, vurma dayanımı, sıkıştırma dayanımı, sertlik türü mekanik özellikleri, standart koşullarda veya malzemenin kullanılacağı koşullara yaklaştırılmış laboratuvar ortamında yapılan testlerle ölçülür. Test sonuçlarından, aşağıdaki iki temel bilgi elde edinilir.

1. Polimerin test yapılan koşullara benzer ortamlarda, test edilen mekanik özellik açısından kulanılıp kullanılmayacağı anlaşılır.

2. Farklı malzemelerin benzer mekanik özellikleri karşılaştırılabilir. [9]

Polimerik malzemelerin davranışı hem bir katı gibi elastik hemde bir sıvı gibi viskoz davranışın bileşimi şeklindedir. Bu davranış biçimi viskoelastik olarak isimlendirilir. Polimerik malzemelerin mekanik davranışındaki dikkat çeken unsur, malzeme özelliklerine bağımlı olarak zaman ve sıcaklıkla sıkı bir ilişki içinde bulunmasıdır. Bir polimerik malzeme düşük sıcaklık ve yüksek çekme hızında elastik bir davranış sergilerken, yüksek sıcaklık ve düşük çekme hızında kauçuk benzeri toparlanabilir bir davranış sergileyebilir. Çok yüksek sıcaklık seviyelerinde bir sıvı gibi viskoz davranış, orta sıcaklık ve çekme hızı seviyelerinde ise hem camsı hemde kauçuk benzeri bir davranış gösterebilir. Polimerik malzemelerde elastisite modülü zamana bağlı olarak değişmektedir. Başta elastisite modülü olmak üzere birçok özelliklerin zamana bağlı olarak değişmesi modelleme çalışmalarını güçleştirmektedir.

Tasarım prosesi süresince deformasyon davranışını tahmin etmek için deneysel sonuçlara ve buna bağlı oluşturulacak matematik modellere ihtiyaç vardır. Bir modelleme esnasında göz önünde tutulması gereken özellikler şunlardır: a) Malzeme davranışı yüksek nonlineer uzama ve sıcaklık bağımlılığına sahiptir, b) Boşaltma eğrileri nonlineerdir, c) Akma davranışı hidrostatik basınç tarafından oldukça etkilidir, d) Sıfır gerilmede toparlanma belirgindir, e) Elastik bölgede sürünme ve gevşeme vardır. [6]

2.3.1 Polimerlerde karşılaşılan zorlanma ve gerilim ilişkileri

Polimerlerin çekme deneylerinde yapısal farklılıklara bağlı olarak değişik zorlanma- gerilim ile karşılaşılır. Şekil 2.5’ de verilmiş olan zorlanma-gerilim eğrisi örnek bir eğridir. Şekil 2.6’ de sık karşılaşılan ve polimerlerin mekanik özelliklerini tanımlayan bazı tipik zorlanma-gerilim eğrileri gösterilmiş ve aşagıda bu eğrilerin değerlendirmeleri verilmiştir. [9]. Buna göre şekil 2.6’ nın açıklaması:

a.) Sert kırılgan polimerlerin young modülleri büyüktür, polimer yüksek gerilim ve düşük zorlanmalarda kopar.

b.) Sert ve dayanıklı polimerlerin young modülleri yüksek sayılabilecek düzeydedir. Ayrıca enerji absorpsiyonları iyi olduğu için dayanıklı polimerlerdir.

c.) Sert ve sağlam polimerlerin enerji absorpsiyonları en yüksektir, kopma dayanımları da yüksek sayılabilir. Akma noktasından sonra belirgin plastik deformasyona uğrarlar.

d.) Yumuşak ve dayanıklı polimerlerin elastik modülleri düşüktür. Bu nedenle boyut değiştirmeye yatkındırlar, kopmadan önce yüksek uzama gösterirler. Deformasyonlar genelde kalıcı değildir, elastikdir. Enerji absorpsiyonları yüksek olduğu için belli düzeyde dayanıklıdırlar.

e.) Yumuşak ve zayıf polimerler yüksek küçük gerilimlerde koparlar, enerji absorpsiyonları ve elastik modülleri küçüktür. Bu tür polimerlerde genelde tersinir deformasyon gözlenir.

A-C noktaları arasındaki doğru gerilme-zorlanmanın lineer olarak artış gösterdiği bölgedir. Hook Kanunu bu bölgede geçerlidir. C noktası gerilme ile zorlanmanın lineer artış gösterdiği son noktadır normalde bu noktanın tam olarak tespiti güçtür ve sapmalar olur. Oransal limitin altında polimerik malzemelerin davranışı elastiktir ve kuvvetli bir toparlanma davranışı sergilenir. Bu deformasyon anlık gelişir, toparlanabilirdir ve moleküllerin konumu birbirine göre değişmez. C noktasının ötesinde ise molekül zincirlerinin açılarak daha da düzleştiği bir durum meydana gelir. Akma noktasının (D noktası) ilerisinde ise toparlanamaz deformasyon türü oluşur ve zincirlerde birbirine göre kaymalar meydana gelir .

Genel anlamda polimerik malzemelerin deformasyon mekanizması yukarıda anlatılan aşamaların birbiri içerisine geçmiş şekilde eş zamanlı oluşumuyla meydana gelir asla belli bir sırayı takip etmez karşılıklı etkileşimi içeren bir süreçtir. Atomlararası bağlarda meydana gelen uzama ve bükülmeler ani gerçekleşen bir süreçtir. Fakat molekül zincirlerinin açılıp düzleşmesi yavaş işleyen bir süreç olup belli bir zaman sonrasında gelişir. Moleküllerin birbirine göre kayma etkisi ise bu deformasyon aşamalarından en yavaş olanıdır. Polimerik malzemelerin deformasyon süreci içerisinde gelişen bu üç aşama mekanik benzeşim olarak en iyi şekilde yay-sönüm elemanı ile benzeşim metodu vasıtasıyla açıklanabilir. Yay elemanı elastik davranışı açıklamak üzere alınır genelde lineer olarak seçilir. Burada yayın uzaması, deformasyon mekanizmasındaki bükülmeleri ve atomlararası uzamayı açıklar. Sönüm elemanı ise moleküler arası kaymayı açıklar. [6]

a.) b.)

c.) d.)

e.)

Şekil 2.6: Malzeme türlerine göre gerilme-zorlanma eğrileri

Liflerin ve sert polimerlerin young modülleri ve kopma gerilimleri oldukça yüksektir, ancak kopma zorlanımları düşüktür. Ve bu nedenle şekillerini değiştirmeye karşı yüksek direnç gösterirler. Termosetler çapraz bağlar nedeniyle serttirler ve young modülleri termoplastiklerin 3-10 katı kadardır. Camsı geçiş sıcaklığı oda sıcaklığı üzerinde olan polistiren, polietilen gibi termoplastikler sert polimerlere örneklerdir. [9]

Metallerle plastikler arasındaki en önemli fark, malzemenin tanımlanmasında kullanılacak özelliklerin seçilmesidir. Metallerde malzemenin tasarım ve tanımlanmasında elastisite modülü, kayma gerilmesi gibi özellikler kullanılabilir. Gerilme ve birim şekil değiştirme arasındaki ilişki belirli gerilme seviyelerine kadar lineerdir (Hooke Kanununun geçerli olduğu bölge) ve yük kaldırılınca başlangıçtaki şekillerine dönerler. Plastiklerde durum farklıdır. Birim şekil değiştirme-gerilme ilişkisi, yükleme zamanına bağımlıdır ve yük altında malzemede sünme oluşur. Bu özellik, çeliğin yüksek sıcaklıklarda gösterdiği özelliklere benzetilebilir. Sıcaklığın artmasıyla sünme miktarı da artar. [13]. Oda sıcaklıklarında, polietilen viskoelastik bir malzemedir. Viskoelastik malzeme gerilmeye maruz kaldığında, sanki viskoz bir sıvıyla elastik bir katının kombinasyonuymuş gibi davranır. Viskoz bileşen uzama ve gerilme arasında bir damper gibi davranır. Örneğin plastik malzemeye sürekli bir yük uygulanırsa, ani artışlı bir deformasyon görülür ve artış hızı giderek azalır. Lineer viskoelastik teoride; yük, deformasyon ve zaman parametreleri lineer diferansiyel bir denklemle birbirine bağımlıdır. Gerilme ve uzama tek sabitle birbirine bağlıdır. Bu sabit ise, uygulanan gerilmenin genliğinden ve verilen sıcaklıktaki uzamadan bağımsız, uygulama süresine bağımlıdır. Yüksek gerilme seviyesinde, büyük bozunma şartlarında ve yüksek sıcaklıklarda, viskoelastik davranışları lineerliklerini kaybeder [13-14].

Şekil 2.7’de plastik bir numuneye yük uygulanmasıyla oluşan birim şekil değiştirme zaman ve uygulanan gerilme-zaman eğrileri görülmektedir. Şekilde üç farklı birim şekil değiştirme bölgesi görülmektedir. İlk önce oluşan ε₁ Hooke kanununa uygun elastik birim şekil değiştirmedir.ε₂ gecikmiş elastik birim şekil değiştirmedir (birinci sünme olarak da adlandırılır). Zamanla kademeli olarak ilk haline döner. Son olarak viskoz birim şekil değiştirme ε₃ (ikincil sünme) oluşur ve hiçbir zaman ilk haline dönemez. Birim şekil değiştirme ve zaman arasındaki bu ilişki viskoelastik malzemelerde görülür. Her gerilme değeri birim şekil değiştirme ve zaman arasında yeni bir ilişki meydana getirir. ε₁,ε₂,ε₃ arasında farklı gerilme seviyelerindeki oran sabit ise malzeme lineer viskoelastiktir . [15]

Şekil 2.7: Plastik numuneye sabit σ0 gerilmesi uygulanmasıyla oluşan birim şekil

değiştirme-zaman grafiği

2.3.2 Sürünme

Şekil 2.5 ile verilen yarı kristalin polimerlerin tipik plastik deformasyon eğrisi, polimerleri koparacak kadar yüksek gerilimler uygulanarak çizilmiştir ve gerilim yüksek olduğu için plastik deformasyonun başladığı akma verimi (akma verimi elastik limittir ve bu nokta üzerindeki gerilimlerde kalıcı deformasyon başlar) de geçilmiştir. Polimerlerden yapılan ürünler boyutlarını, plastik deformasyonun başladığı gerilimlerden (akma verimine neden olan gerilimden) daha düşük gerilimlerde koruyabilirler. Akma verimi üzerindeki gerilimlerde malzemede deformasyon başlar ve şekil değişiklikleri gözlenir. Bunlar kısa süreli yüklemeler için geçerlidir.

Polimerler, akma verimi altındaki küçük sayılabilecek gerilimler uzun süreli uygulandığında da deformasyona uğrayabilen malzemelerdir. Sürünme adı verilen bu

davranış, akma verimine karşılık gelen gerilimlerden daha küçük sabit gerilimlerde, malzemede zamana bağlı gelişen deformasyonlar şeklinde tanımlanır. Bir başka yaklaşımla sürünme, uzun süreli küçük yüklemelerde karşılaşılan soğuk akmadır. Sürünme deneyinde polimer üzerine, deformasyona yol açmayacak büyüklükte bir ani yükleme yapılır. Uzun süre bu küçük yük etkisinde kalan polimer uzayarak deformasyona uğrar ve zamanla deformasyon miktarı izlenir. [9]

Mekaniksel yük altındaki malzemelerin mukavemetini kimyasal kompozisyon ve mikro yapı, makro-hatalar (örn. gözenekler, yüzey çatlakları, vb) ve kütle hasar yığılmaları (örn. stres konsantrasyonları) belirler. Farklı malzemeler için makro-hata ve kütle hasar yığılmalarının etkileri farklı olmaktadır. Kütle hasar yığılmaları bazı malzemelerde mukavemeti çok düşürürken bazılarında ise çok fazla etki etmemektedir. Yığılma hasarları stres konsantrasyonu olan bölgelerde aşırı artış gösterirken daha zayıf bölgelerde daha az etkilidir. Örneğin polietilen malzemeler sıcaklıkla birlikte sabit yük altında yavaş ve kontrollü çatlak ilerlemesi sonucu gevrek kırılma özelliği sergilerler. Bazı polietilen reçinelerde çatlak ilerleme hızı güç kanunu eşitliğin`de (Power Law, ε°s = β σ n) belirtildiği üzere büyüyen çatlağın

ucundaki stres yığılmasına (intensification) bağlıdır. Kütle hataları çatlak oluşumu ve ilerleme hızı açısından önemlidir. Bu nedenle sürünmeye karşı direncin arttırılması ve böylece malzeme kullanım ömrünün uzatılması açısından diğer faktörlerle birlikte özellikle kütle hataları ve mikro gözeneklerden arınmış malzemelerin imal edilmesi hususuna dikkat edilmelidir.

Polimerler nispeten düşük çekme modülü ve düşük özgül kütleye sahip olmakla birlikte değişen dayanım ve sertlik değerleri gösteren malzemelerdir. Plastik sıvı ve gaz borularında olduğu gibi sabit yük altında çalışan polimer ürünlerde belirlenmiş kullanım süreleri içerisindeki zamana bağlı olarak sürünme dayanımının nasıl değiştiğini bilmek zorunludur. Bununla birlikte birçok ürün kesikli yüklemelere maruz kalmaktadır. Bu durumda malzemeden yük kaldırıldığında sürünme durmuş olur, bu ise ürünün genel olarak sürünme dayanım ömrünü uzatır. Halihazırda basınçlı boru sistemlerinde uPVC (plastikleştirici katılmamış polivinilklorür) ve OYPE plastik malzemeler daha çok kullanılmaktadır.

Polimer malzemeler sürünme test sonuçlarının sunumunda kullanılan grafiklerden biriside Şekil 2.8` de verilen lineer zorlanma ve log-zaman eğrileridir. Şekildeki diyagram standart boru malzemesi olan PVC`nin 20 °C sıcaklıkta test edilmesi ile elde edilmiştir. Şekilden de anlaşılacağı üzere sürünme hızı uygulanan stresin artmasıyla artış göstermektedir. Ayrıca diyagramda sabit gerilmelerde özellikle yüksek stres değerleri için sürünme artış hızı zamana bağlı olarak artış göstermektedir.

Şekil 2.8: PVC boru malzemesinin 20 °C`de çekme sürünmesi

Çekme gerilmesine nazaran çok düşük gerilmelerde "Hooke yasası"nı esas alan klasik eşitlikler sürünme modülü tasarımda farklı gerilme seviyeleri için kullanılabilir. Polimerlerin kullanımında özellikle poliolefin gibi düşük camsı sıcaklığına sahip malzemelerin sıcaklığa karşı çok duyarlı oldukları unutulmamalıdır. Bu malzemelerin oda sıcaklığında yapılarının bir bölümünün amorf ve yarı elastik halde olması nedeniyle sürünme hızları camsı sıcaklığı 20 °C`nin çok üzerinde olan diğer polimer malzemeler (PVC, PMMA ve PC) ve yüksek çapraz bağlı termoset malzemelere (amino-plastikler, kauçuk, epoksi ve poliüretan) nazaran daha fazla olacaktır.

Sıcaklığa bağlı olarak yapılan sürünme deneylerinde, OYPE ve YYPE termoplastik malzemelerde gerilme ve zamana bağlı tipik kırılma diyagramı Şekil 2.9` da verilmiştir. Belirli bir süre sonunda eğriler diz oluşturmakta ve davranış değişimi

gözlemlenmektedir. Diz oluşumu öncesinde kırılan malzemelerde yumuşak kırılma gözlemlenirken diz oluşumu üzerindeki kırılmalar gevrek kırılma özelliği sergilemektedir. Sıcaklık artışı ise genel olarak malzeme mukavemetini ve dayanım süresini düşürmektedir. [16]

Şekil 2.9: Polietilen boruda kırılmanın iki farklı sıcaklık için gerilme - zaman ilişkisinin şematik gösterimi. (Hoop Gerilme – çevresel gerilme)

Malzemeye etkiyen kuvvet, çekme kuvvetidir. Sürünmenin başlangıcında polimer zincirleri üzerindeki bağlar gerilir ve rastgele katlanmış zincirler açılırlar. Zamanla zincirler birbirleri üzerinden kaymaya başlarlar ve malzemenin boyu uzar. Yeterince beklendiğinde ise zincirler birbirlerinden ayrılarak veya kırılarak malzeme kopar (sürünme kopması). Sürünme kopmasının sayısal değeri, izin verilebilir gerilim miktarını göstermesi (malzemenin dayanabileceği gerilim) açısından önemlidir.

Kopma noktasından önce gerilim kaldırıldığında, malzemedeki elastik deformasyonun küçük bir kısmı hızla kazanılır, geri kalan kısmının kazanılması zaman alır. Bazı durumlarda malzeme kalıcı deformasyona uğrar.

Polimerlerin sürünme düzeyi, polimerlerin kimyasal yapısına, uygulanan yükün büyüklüğüne, sıcaklığa ve yük uygulama zamanına bağlıdır. Zincir hareketleri zor olan polimerlerin sürünme oranı düşüktür. Bu nedenle zincir hareketlerini kısıtlayan

yüksek mol kütlesi, kristalite, çapraz bağ, ve zincire sertlik veren yan gruplar sürünmeyi azaltır.

Sürünme deneyinde gerilim sabittir. Ancak zorlanma sabit kalmayacağından sürünme modülü zamanla değişir ve sayısal değeri küçülür. Bu sonuç, malzemelerin boyut değiştirmeye karşı kısa süreli yüklemelerde daha dirençli olduğunu, uzun süreli yüklemelerde ise malzemenin sıkılığını kaybedecği anlamına gelir. [9]

2.4. Taguchi Yöntemi

2.4.1. Kalitenin gelişimi

Günümüzdeki ekonomik ve teknik gelişmeler, üretimden tüketime kadar her aşamada meydana gelen değişimler, mal ve hizmet kalitesinin önemini artırarak çok sayıda kalite sorununu da beraberinde getirmiştir. Böylece kalite kavramı bir çok ürün tasarımcısını, mühendisi, girişimciyi ve tüketiciyi ilgilendiren bir konu haline gelmiştir. [17]

1924 yılında matematikçi olan Walter Shewhart, seri üretim ortamında kalitenin ekonomik olarak kontrolü için bir yöntem olan istatistiksel kalite kontrolü kavramını gündeme getirip ilk defa kontrol kartlarını uygulayan kişi olmuştur. [18]. İstatistiksel süreç kontrol uygulamalarının kalite kontrol alanındaki yenilikçi özelliği II. Dünya Savaşı sonrasına kadar gelişerek devam etmiştir. Savaş sonrası yıllarda Endüstri Mühendisliği ve üretim yönetimi tekniklerinin gelişmesi kalite sağlama çalışmalarına da yeni bir boyut kazandırmıştır. Bu dönemde toplumların kaliteli ürünlere olan talebinin artmaya başlaması, bilgi paylaşımına dayalı kalite sağlama uygulamalarının gelişmesine yol açmıştır. 1949 yılında ABD’de kurulan Amerikan Kalite Kontrol Derneği (ASQC), izleyen yıllarda dünyanın çeşitli ülkelerinde benzer amaçla kurulan ulusal organizasyonların ilk örneği olmuştur. 1949 yılında Japon Bilim adamları ve Mühendisleri Derneği (JUSE) kurularak kalite kontrol konusunda çalışmalara başlamış ve bu dönemde Japonya’da bulunan Dr. Deming İstatistiksel Kalite Kontrol konusunda seminerler vermiştir. Deming’in verdiği seminerlerden derlenen notlar

Deming’in “İstatistiksel Kalite Kontrolü Dersleri” olarak JUSE tarafından yayınlanmıştır. Deming’in seminerlerinin ardından 1954 yılında bir diğer kalite kontrol uzmanı Dr. Joseph M. JURAN, JUSE tarafından seminerler vermek üzere Japonya’ya davet edilmiştir. Juran, kalitenin esas olarak yönetimin sorumluluğu olduğu konusunda Japonları yönlendirmeye çalışmış ve gerçekleştirdiği istatistiksel çalışmalara yönetsel bir kalite kontrol boyutu kazandırmıştır. Juran’ın 1951’de yayınladığı “Kalite Kontrol El Kitabı” kalite kontrol hareketinin önemli kaynağı olarak kabul edilmiştir. [17]. Toplam Kalite Kontrolü (TKK), Deming, Juran, Feigenbaum ve Japonya’da kalite uygulamalarına katılan diğer kalite öncüleri tarafından 1950’li yıllarda geliştirilen bir sistemdir.[19]. Feigenbaum’a göre Toplam Kalite Kontrol, “ bir organizasyondaki değişik grupların kalite geliştirme, kaliteyi koruma ve kalite iyileştirme çabalarını müşteri tatminini de göz önünde tutarak üretim ve hizmeti en ekonomik düzeyde gerçekleştirebilmek için birleştiren etkili bir sistem olarak tanımlanmaktadır. Toplam Kalite Kontrol pazarlama, tasarım, üretim, kontrol ve dağıtım bölümleri de dahil olmak üzere bütün bölümlerin katılımını gerektirmektedir. [18]

TKY (toplam kalite yönetimi)' nin uygulama alanı olan kalite çemberleri, sorun çözme grupları biçiminde ilk defa 1960’lı yıllarda Japonya’da gelişme göstermiştir. Çalışmalar, İkinci Dünya Savaşı sonrasında Japon mallarının ucuz ve kötü kaliteli imajını silmek amacıyla Japon Bilim Adamları ve Mühendisleri Birliği (JUSE) eğitim programlarının hazırlanmasıyla hız kazanmıştır.

KFY (kalite fonksiyonu yayılımı), tüketicinin satın almak istediği ürün/hizmetlerin tasarımı, üretimi ve pazarlanması amacıyla, kuruluş içindeki beceriler üzerinde yoğunlaşarak gerekli eşgüdümü sağlayan bir dizi planlama ve iletişim süreçlerinden oluşan sistematik bir yaklaşımdır. KFY, yalnızca pazara ürün sunma süresini kısaltan bir teknik değil, aynı zamanda müşteri beklentilerinin daha tasarım aşamasında ürün veya hizmetlere yansıtılmasını sağlayan bir yöntemdir. KFY uygulaması süresince tasarım grubu müşterinin ne istediğini tahmin etmeye çalışarak, daha sonra bunu başarmak için gerekli yöntemleri saptamaya çalışmaktadır. KFY çalışmasında dört temel aşama vardır: tasarım, detay, uygulama ve ürün. Bu aşamalar, tasarım

bölümlerini müşteri tatminini gerçekleştirmeye yönelik çalışmalara yönlendirmektedir.

Kalite için deney tasarımı ( Design of Experiment ) veya Taguchi yöntemi adıyla bilinen bu yöntem, bir sürece etkisi olabilecek değişkenlerin süreçteki göreceli etkilerinin ağırlıklarını istatistiksel yollarla geliştirilmiş kontrollü denemeler sonucunda saptamaktadır. Japon mühendisleri hedeflenen kalitedeki ürünü üretebilmek için geleneksel süreç kontrolünden başka yöntemler aramışlardır. Üretim süreci değişikliklerinden ve çevre değişkenlerinden etkilenmeden, hedeflenen kaliteyi sağlayabilmek için kalitenin ürün ve süreç ile tasarlanması gerektiğini savunmuşlardır.

2.4.2 Taguchi deney tasarımı

Kalite geliştirme çalışmalarının en önemli amaçlarından biri, her bir ürün ve süreç için kalitenin tasarlanmasıdır. Bu faaliyetlerin en büyük parçasını istatistiksel deney tasarımı oluşturur. Ne yazık ki istatistiksel deney tasarımı yöntemleri ülkemizde çok geniş kapsamda kullanılmamaktadır. Bunun yerine geleneksel tasarım yöntemleri tercih edilmektedir.

Deney tasarımı, istatistik biliminin babası sayılan Sir Ronald Fisher tarafından tarım alanında araştırmalar yaparken, 1920’ lerde bulunmuş ve geliştirilmiştir. Fisher ayrıca deney verilerinin analizi için bugün klasik sayılan “varyans (değişkenlik) analizi” (ANOVA) yöntemini de geliştirmiştir.

Dr Genichi Taguchi, Japonya’da 1940’ lı yıllardan itibaren kalite konusunu araştıran ve son derece önemli çalışmaları bulunan Japon makine mühendisidir. Dr. Taguchi’nin bu çalışmaları 20.yüzyılın belki de en önemli kalite mühendisliği başarısı olarak değerlendirilmektedir. Ayrıca Taguchi, “Kalite Mühendisliği” kavramı ortaya atan kişi olarak da anılmaktadır. Taguchi’ye göre kalite mühendisi ürün ve süreç kalitesini iyileştirmek için istatistiksel deney tasarımını kullanarak, bir ürünün araştırma, geliştirme, süreç tasarımı, üretim ve müşteri memnuniyetinin

sağlanması işlemlerinin her aşamasında olması gereken ve tüm işlemleri enuygun düzeyde yürüten kişidir.

Dr. Taguchi tasarım problemlerini tanımlamada geleneksel hata denetleme yaklaşımlarının önemli eksiklikler içerdiğini tespit etmiş ve kendisi istatistiksel deney tasarımına dayalı, belirli bir sistematiğe sahip yepyeni bir felsefe ve yöntem geliştirmiştir. [18]

2.4.3 Taguchi felsefesi

Taguchi’nin felsefesi şu şekilde özetlenebilir;

I. Üretilen bir ürünün kalitesine ait önemli bir boyut da o ürünün toplumda meydana getirdiği kayıptır.

II. Rekabetin olduğu bir ekonomide kaliteyi sürekli geliştirmek ve maliyetleri azaltmak işletmenin kalıcılığı için zorunludur.

III. Sürekli bir kalite geliştirme programı ürün hedef değerlerinden sapmaları sürekli azaltmayı içerir.

IV. Bir ürünün performansındaki bir sapmadan dolayı tüketicide meydana gelen kayıp yaklaşık olarak o sapmanın karesi ile orantılıdır.

V. Üretilen bir ürünün nihai kalitesi ve maliyeti (geniş bir şekilde) ilgili ürünün tasarım mühendisliği ve üretim prosesi tarafından belirlenir.

VI. Bir ürünün performansındaki sapmayı azaltmak için ürünün performans karekteristikleri üzerinde etkili olan parametrelerin lineer olmayan etkilerini kontrol altına almak gerekir.

VII. İstatistiki olarak tasarlanmış deneyler ürün veya proseslere ait performans sapmalarını azaltmak için kullanılır.